»AVATOR« – Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction

Eine pandemische Ausbreitung des Coronavirus (SARS-CoV-2) kann durch die Unterbrechung von Übertragungsketten und die dadurch verlangsamte Ausbreitung gehemmt werden. Einer der wesentlichen Übertragungswege für Infektionen stellen exhalierte Aerosole dar. Im Projekt »AVATOR« untersuchen daher mehrere Fraunhofer-Institute Wege zur Verminderung der Infektionsgefahr durch Aerosol-getragene Viren in geschlossenen Räumen. Mit dem von unseren Expertinnen und Experten entwickelten dynamischen Multiskalen-Simulator berechnen wir die Aerosolausbreitung in Innenräumen.

SARS-CoV-2 kann über Tröpfchen oder auch Aerosole – in der Luft schwebende Tröpfchenkerne, die kleiner als zehn Mikrometer sind – auch im normalen gesellschaftlichen Umgang übertragen werden. Eine solche Übertragung ist auch in bestimmten Situationen über größere Abstände möglich, beispielsweise wenn viele Personen in nicht ausreichend belüfteten Innenräumen zusammenkommen und es verstärkt zur Produktion und Anreicherung von Aerosolen kommt. Vor diesem Hintergrund stellen Abstand und eine geringere Anzahl von Personen in Räumen sowie die Innenraumlufthygiene und Lüftung wichtige Bausteine in der Pandemie dar. Speziell für Bildungseinrichtungen, Krankenhäuser, Pflegeeinrichtungen, Beherbergungs- und Hotelfachbetriebe, Flugzeuge oder Züge und Büro- sowie Produktionsbetriebe sind wir im Projekt auf der Suche nach Antworten in hygienischen Fragestellungen sowie praktischen Lösungen zum Vermeiden der Verbreitung von Aerosolinfektionen.

Die Ziele von »AVATOR«

AVATOR untersucht neben Reinigungstechnologien für die Raumluft auch die Ausbreitung von Aerosolen und leitet Hygienekonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle ab. Die Ausbreitungsmechanismen modellieren wir im Projekt unter Verwendung von Simulationen auf Basis von »Computational Fluid Dynamics« bis hin zu zonalen und agentenbasierten Ansätzen. Parallel zu den simulationsbasierten Bewertungsverfahren für die Luftausbreitung entwickeln die beteiligten Forschenden diverse Luftreinigungstechnologien. Diese Erkenntnisse werden schließlich in Laborumgebungen getestet, sowie in Realumgebungen validiert. Die Projektergebnisse münden dann in neuen Konzepten zur Verringerung der Infektionsgefahr mit SARS-CoV-2 in diversen Anwendungsszenarien.

Lösungsweg mit drei Schwerpunkten

Ausbreitung: Simulation der Aerosolausbreitung und Szenarienrechnung (u.a. unsere Expertise am ITWM)
Reinigung: Entwicklung unterschiedlicher Hardware-Konzepte zur Luftreinigung
Validierung: Test in Realumgebung und experimentelle Validierung der Projektergebnisse

AVATOR Klimakammer — © Fraunhofer IBP
Testumgebung am Fraunhofer IBP für die Validierung von Simulationen und Luftreinigungstechnologien: Klimakammer.

Unser ITWM-Beitrag und unsere Expertise bei »AVATOR«

Unsere Expertinnen und Experten entwickeln einen dynamischen Multiskalen-Simulator, der die Aerosolausbreitung in Innenräumen berechnet.

Durch den Multiskalen-Ansatz fließen dabei auch feine Details in großräumige Langzeitbetrachtungen mit ein, wie beispielsweise die Art der individuellen Schutzausrüstung. Aus den Simulationsergebnissen leiten wir anschließend eine Risikobewertung ab, mit der sich für jedes Szenario unterschiedliche Raumluftkonzepte vergleichen lassen.

Wir greifen dabei auf unsere Kompetenzen und langjährige Expertise in den folgenden Bereichen zurück:

Modellierung von Filtrationsvorgängen und Simulation von Filtereigenschaften
Erfahrung in Multiskalenkopplung und strömungsdynamischer Prozessauslegung
MESHFREE: Gitterfreie Simulationssoftware für dynamische Strömungsszenarien

Was ist der derzeitige Stand?

Aktuell werden durch diverse Simulationen Vorhersagen zur Aerosolverbreitung für verschiedene Anwendungsszenarien in Innenräumen getroffen. Durch die Einbindung von Forschenden aus der mikro-, meso- sowie makroskaligen Simulation sollen bereits existierende Vorhersagen ergänzt und optimiert werden. Durch den Einsatz von agentenbasierten Simulationen werden zusätzlich die Effekte von Handlungen der im Innenraum agierenden Personen berücksichtigt.

Daraus können sinnvolle Hygienemaßnahmen abgeleitet werden und zusätzlich die Wirksamkeit von vorhandenen Hygienemaßnahmen validiert werden. Parallel dazu – und unter Berücksichtigung der Anforderungen aus unterschiedlichen Raumnutzungen – werden Prototypen für diverse Verfahren der Raumluftreinigung entwickelt.

© Fraunhofer EMI
Numerische Simulation der Aerosolausbreitung in einem Klassenzimmer: Eine infizierte Person sitzt in der vorderen rechten Ecke des Klassenzimmers. Die ausgewählte Schnittebene zeigt die Konzentrationsverteilung des virenhaltigen Aerosols. Ein Raumluftreiniger filtert die aerosolbeladene Luft und führt sie gereinigt zurück.

Video: AVATOR Simulation Szenario Flugzeug

Das betrachtete Szenario basiert auf der Flugzeugkabine, die im Fluglabor des Fraunhofer IBP zu finden ist. Simuliert werden Luft- und Aerosolausbreitung innerhalb eines Kabinenausschnittes. Für die Simulation wird der gitterfreie Strömungslöser MESHFREE des Fraunhofer ITWM verwendet. Die Luftströmung wird maßgeblich durch die Klimatisierung und durch das Aufsteigen von warmer Atemluft beeinflusst. Im betrachteten Szenario stößt eine Person (3. Person von links) Aerosoltröpfchen aus. Anzahl und Größe der ausgestoßenen Aerosole werden nach [1] modelliert. Verglichen werden 3 Szenarien mit unterschiedlichen Maskentypen: N95- und OP-Masken sowie ohne Masken. Die Daten zur Maskeneffizienz basieren auf Messungen aus [2] und berücksichtigen neben der reinen Filterwirkung auch die Bypass-Strömung.

[1] Pöhlker, Mira L., et al. »Respiratory aerosols and droplets in the transmission of infectious diseases.« arXiv preprint arXiv:2103.01188 (2021).

[2] Grinshpun, Sergey A., et al. »Performance of an N95 filtering facepiece particulate respirator and a surgical mask during human breathing: two pathways for particle penetration.« Journal of occupational and environmental hygiene 6.10 (2009): 593-603.

Video: Simulation der Aerosolausbreitung mit unterschiedlichen Schutztypen

Beim Ausatmen und Sprechen werden Tröpfchen und Aerosole unterschiedlichster Größe ausgestoßen. Größere Tröpfchen (rot) sinken nach unten ab. Kleinere Tröpfchen (gelb, grün, blau) steigen zunächst nach oben, denn die Körperwärme erzeugt eine Auftriebsströmung. In Innenräumen verschwinden die Aerosole nicht einfach, sondern verteilen sich mit der Zeit im Raum. Ein geeignetes Lüftungs- oder Filterkonzept reduziert die Aerosolkonzentration. Unterschiedliche Schutztypen von Mund-und-Nasen-Bedeckung verhindern die Ausbreitung in unterschiedlichem Maße. Im Video: Simulationen im Vergleich – eine partikelfiltrierende Maske (FFP2/N95), eine medizinische Gesichtsmaske (OP-Maske), ein Gesichtsvisier (Faceshield) und ganz ohne Schutz.

Video: Luftfilter für gutes Wetter

Ob in Schulen, Kindergärten oder Praxen – im Zuge der Corona-Pandemie steigt die Nachfrage nach Luftreinigungsgeräten weiter an. Doch mit dem Kauf der Geräte ist es nicht getan – die richtige Platzierung im Raum ist entscheidend: Mitarbeitende unseres Instituts nehmen dies unter die Lupe und forschen gemeinsam mit der IANUS Simulation GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP an der Positionierung von Luftreinigern. Um die wichtige Funktion der Geräte zu gewährleisten, soll ihre Platzierung mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) und Simulation optimiert werden. Wie so eine Simulation aussieht und wie Luftreiniger für »gutes Wetter« sorgen, sehen Sie im Video. Durch das Projekt AVATOR sind die Forscherinnen und Forscher mit dem Thema bereits vertraut. Das ist auch der Grund, warum nicht nur der bekannte Wetterexperte Sven Plöger, sondern auch unser Kollege Dr. Christian Leithäuser im Video zu Wort kommt.